DE202016000543U1

DE202016000543U1 - Device for the residue-free friction stir welding of workpieces, in particular of tubular structures

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Publication number: DE202016000543U1
Application number: DE202016000543.0U
Authority: DE
Original assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Grenzebach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2026-01-29

Abstract

Vorrichtung zum rückstandsfreien Rührreibverschweißen von Werkstücken, insbesondere von rohrartigen Strukturen, mit den folgenden Merkmalen: a) ein, von einer Führungsmaschine geführter Antrieb (3) und eine, mittels eines Befestigungsflanschs (16) am Antrieb (3) verschraubte Werkzeugglocke (2) weist einen Werkzeugschuh (5) auf, der mittels eines Befestigungsrings (19) an der Werkzeugglocke (2) befestigt ist, b) ein in der Längsachse der Werkzeugglocke (2) zentral gelagerter Werkzeug-Schaft (17), der von dem Antrieb (3) angetrieben wird, weist wiederum in seiner Längsachse einen zentral gelagerten Schiebekolben (18) mit einer, im oberen Bereich angeordneten, im Querschnitt kreisförmig ausgeführten, Verdickung auf, wobei der Schiebekolben (18) mittels einer Halteschraube (23) mit einem, in der Längsachse des Schiebekolbens fluchtend gelagerten Pinschaft (10) mit einer Pinspitze (6) kraftschlüssig verbunden ist, c) die im oberen Bereich des Pinschafts (10) angeordnete kreisförmige Verdickung dient einerseits als Widerlager, bzw. dessen Position, für ein unteres Kraft-Schiebeelement (24), das zwischen der kreisförmigen Verdickung und einer Aussparung des Werkzeug-Schafts (17) gelagert ist, und andererseits als Widerlager für ein oberes Kraft-Schiebeelement (25), das zwischen der kreisförmigen Verdickung und einem Anschlag (14) gelagert ist, d) im Befestigungsring (19) sind zwischen der unteren Innenkante des Befestigungsrings (19) und dem, an den Befestigungsring (19) angrenzenden, Teil der Werkzeugglocke (2) kreisförmig um die Zentralachse des Werkzeug-Schafts (17) gelagerte Kraft-Regelelemente angeordnet, wobei ein unteres Kraft-Regelelement (21) jeweils zwischen der unteren Innenkante des Befestgungsrings (19) und einer Verdickung des Werkzeugschuhs (5) und ein oberes Kraft-Reglelement (22) jeweils zwischen derselben Verdickung des Werkzeugschuhs (5) und der Unterkante der Werkzeugglocke (2) gelagert ist, e) auf der Unterseite des Anschlags (14) ist ein Kraft-Messsensor (30) vorgesehen.Apparatus for residue-free friction stir welding of workpieces, in particular tubular structures, having the following features: a) a drive (3) guided by a guide machine and a tool bell (2) screwed to the drive (3) by means of a fastening flange (16) Tool shoe (5) which is fastened to the tool bell (2) by means of a fastening ring (19), b) a tool shaft (17) which is mounted centrally in the longitudinal axis of the tool bell (2) and driven by the drive (3) In turn, in its longitudinal axis has a centrally mounted sliding piston (18) with a, arranged in the upper region, circular in cross-section, thickening, wherein the sliding piston (18) by means of a retaining screw (23) with a, in the longitudinal axis of the sliding piston aligned pin shaft (10) with a pin tip (6) is non-positively connected, c) arranged in the upper region of the pin shaft (10) kreisfö thickening serves on the one hand as an abutment, or its position, for a lower force-slide element (24) which is mounted between the circular thickening and a recess of the tool shaft (17), and on the other hand as an abutment for an upper force-slide element (25), which is mounted between the circular thickening and a stop (14), d) in the fastening ring (19) are between the lower inner edge of the mounting ring (19) and, to the mounting ring (19) adjacent, part of the tool bell ( 2) arranged in a circle about the central axis of the tool shaft (17) mounted force control elements, wherein a lower force control element (21) respectively between the lower inner edge of the mounting ring (19) and a thickening of the tool shoe (5) and an upper force Control element (22) is mounted in each case between the same thickening of the tool shoe (5) and the lower edge of the tool bell (2), e) on the underside of the stop (14) a force measuring sensor (30) is provided.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und zum rückstandsfreien Rührreibverschweißen von Werkstücken, insbesondere von rohrartigen Strukturen.The invention relates to a device and for residue-free friction stir welding of workpieces, in particular of tubular structures.

In Zeiten der politischen Diskussion über das Planen oberirdisch angelegter Stromtrassen im Rahmen der Energiewende ist das Verlegen unterirdisch verlegter Stromleitungen vermehrt in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Zu diesem Zweck werden unterirdisch verlegte Rohrleitungen benötigt bei denen wegen drohender Überschläge der transportierten Hochspannung an den Schweißstellen der zu verschweißenden Rohrteile keinerlei Rückstände gedultet werden können. Zum Stand der Technik ist aus der Patentliteratur unter anderen die Druckschrift EP 2 027 962 A1 bekannt die ein Schweißgerät und ein Schweißverfahren zum Orbitalschweißen von Rohren betrifft. In dieser Druckschrift wurden einige Nachteile des bekannten Standes der Technik genannt, deren Beseitigung das Ziel dieser Anmeldung ist.. Nach den Angaben im Anspruch 1 handelt es sich hierbei um ein Lichtbogen-Schweißgerät, umfassend einen Schweißkopf zur Aufbringung eines Schweißlichtbogens mit einer Schweißleistung auf eine Fügestelle zwischen einem ersten und zweiten Werkstück zur Erzeugung eines Schweißbades, wobei der Schweißlichtbogen relativ zu dem ersten und zweiten Werkstück bewegbar ist. Als Erfindung wird hier im Kennzeichen des Anspruchs 1 beansprucht dass das Schweißgerät eine Temperaturmessvorrichtung zur Messung einer Temperatur im Umfeld des Schweißbades und eine Regelungsvorrichtung umfasst, wobei die Regelungseinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur mindestens ein Signal zu generieren, welches zur Steuerung von zumindest einem Schweißparameter dient. Weiter wird beansprucht, dass hierbei vorzugsweise die Temperaturmessvorrichtung als Pyrometer ausgebildet ist und/oder die Temperaturmessvorrichtung so angeordnet ist, dass die Temperatur an zumindest einem Temperaturmesspunkt vor, neben und/oder hinter dem Schweißbad gemessen wird, wobei vorzugsweise die Temperaturmessvorrichtung so angeordnet ist, dass sie einen Bereich umfasst, dessen Temperatur einen Rückschluss auf die Schweißbadtemperatur zulässt.In times of political debate about the planning of above-ground power lines in the context of the energy transition, the laying of underground power lines has increasingly attracted attention. For this purpose underground pipelines are required in which due to impending rollovers of transported high voltage at the welds of the pipe parts to be welded no residue can be gedultet. Among the prior art is from the patent literature, among others, the document EP 2 027 962 A1 known which relates to a welding apparatus and a welding method for orbital welding of pipes. In this document, some disadvantages of the known prior art, the elimination of which is the object of this application .. According to the information in claim 1, this is an arc welding apparatus comprising a welding head for applying a welding arc with a welding performance on a Joint between a first and second workpiece for producing a welding pool, wherein the welding arc is movable relative to the first and second workpiece. As an invention is claimed in the characterizing part of claim 1 that the welding device comprises a temperature measuring device for measuring a temperature in the vicinity of the welding pool and a control device, wherein the control device is configured to generate at least one signal depending on the measured temperature, which is used to control serves at least one welding parameter. It is further claimed that in this case preferably the temperature measuring device is designed as a pyrometer and / or the temperature measuring device is arranged so that the temperature is measured at at least one temperature measuring point before, next to and / or behind the weld pool, wherein preferably the temperature measuring device is arranged so that it covers an area whose temperature allows conclusions about the sweat bath temperature.

Generell führt das Orbitalschweißen von rohrförmigen Bauteilen mit konventionellen Schweißverfahren, wie dem MIG- oder MAG-Schweißen aufgrund der Einwirkung der Schwerkraft auf die Schmelze und das Schutzgas zu einem sehr hohen Aufwand hinsichtlich der Prozesskontrolle. Bei der Anwendung des Orbitalschweißens im Feld, beispielsweise für erdverlegte Stromtrassen und Pipelines, sind konventionelle Orbitalverfahren zudem sehr anfällig hinsichtlich der Umgebungsbedingungen. Hier können der Wind und anfallende Feuchtigkeit den Schweißprozess empfindlich stören.In general, orbital welding of tubular components using conventional welding techniques, such as MIG or MAG welding, due to the effect of gravity on the melt and the shielding gas, results in a very high outlay in terms of process control. In the field of orbital welding, such as buried power lines and pipelines, conventional orbital methods are also very susceptible to environmental conditions. Here the wind and accumulating moisture can disturb the welding process.

Zum Stand der Technik wird weiter auf die EP 2 561 948 A1 verwiesen, die ein Verfahren und eine Anlage zum Herstellen eines Flansch-Rohr-Flansch-Elements mittels Rührreibschweißens betrifft. Einer solchen Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 liegt die Zielsetzung zugrunde, das Zentrieren von Flansch und Rohr zu vereinfachen und die Schweißbadsicherung neben dem Abstützen des durch das Rührreibschweißen erweichten Bereichs auch zur Aufnahme der Anpresskräfte beim Rührreibschweißen und zum Zentrieren des Rohres nach der Längsachse der Flansche unter Wegfall von Mess- und Einrichtvorgängen bei gleichzeitiger Reduzierung der Fertigungszeiten, unter Einsparung von Material und Gewährleistung wirtschaftlicher Vorteile zu nutzen. Im Kennzeichen des Anspruchs 11 wird hierzu beansprucht, dass die Schweißbadsicherung als eine pneumatisch spann- und lösbare Spann- und Abstützscheibe zum Zentrieren des Rohres auf die Drehachse der Flansche und zum Aufnehmen der Anpresskräfte beim Rührreibschweißen ausgebildet ist, und dass ein Sensor zum Abtasten der Stoßfugen zwischen Rohr und Flansch vorgesehen ist, und dass weiter eine Vorrichtung zum An- und Abfahren eines Formkeils in Flucht der horizontal oberhalb der Drehachse liegenden, durch die Stoßfuge verlaufenden Tangentialebene vorgesehen ist, um die Rührreibschweißstift des Rührreibschweißwerkzeugs lochfrei aus der rührreibgeschweißten Stoßfuge herauszubewegen, wobei der Sensor und die Vorrichtung zum An- und Abfahren des Formkeils mit der Steuerung verbunden ist.The state of the art will continue on the EP 2 561 948 A1 referring to a method and apparatus for producing a flange-pipe-flange member by means of friction stir welding. Such a system according to the preamble of claim 11 is based on the objective to simplify the centering of the flange and pipe and the weld pool next to supporting the softened by the friction stir welding area for receiving the contact forces during friction stir welding and for centering the tube to the longitudinal axis of the Using flanges without the need for measuring and set-up procedures, while at the same time reducing production times while saving material and ensuring economic benefits. In the characterizing part of claim 11 is claimed for this purpose that the weld pool is designed as a pneumatically tensioning and releasable clamping and support disc for centering the tube on the axis of rotation of the flanges and for receiving the contact forces in friction stir welding, and that a sensor for sensing the butt joints is provided between the pipe and flange, and that further comprises a device for starting and stopping a mold wedge in alignment horizontally above the axis of rotation, extending through the butt joint tangential plane to move the Rührreibschweißstift the Rührreibschweißwerkzeugs hole free from the friction stir welded butt joint, wherein the Sensor and the device for starting and stopping the mold wedge is connected to the controller.

Beim Rührreibschweißen wird im Fügebereich der zu verschweißenden Materialien mittels der Reibung zwischen einem rotierenden, gleichzeitig translatorisch bewegten und mit Druck aufgebrachten, Werkzeug Reibungswärme erzeugt die die zu verschweißenden Materialien in einen plastifizierten Zustand versetzt. Das Werkzeug wird hierbei entlang des Fügebereichs bewegt und verrührt das plastifizierte im Inneren der Naht der zu verbindenden aneinander stoßenden Materialien. Am Ende dieser Naht wird das Werkzeug aus dem Verbindungsbereich herausgezogen und die Schweißnaht ist unmittelbar belastbar.In friction stir welding, frictional heat is generated in the joining region of the materials to be welded by means of the friction between a rotating, simultaneously translationally moved and pressure-applied tool which places the materials to be welded in a plasticized state. The tool is thereby moved along the joint area and stirs the plasticized in the interior of the seam of the abutting materials to be joined. At the end of this seam, the tool is pulled out of the connection area and the weld is directly loadable.

Weiter ist aus dem Stand der Technik die vorveröffentlichte, auf die Anmelderin selbst zurückgehende, DE 10 2015 005 763 U1 bekannt, die eine Vorrichtung zum homogenen Verschweißen flächig gebogener Strukturen durch Rührreibschweißen betrifft. Mit der aus dieser Druckschrift bekannten Vorrichtung ist zwar schon ein Schweißergebnis zu erzielen das hohen Qualitätsansprüchen genügt, jedoch kann hierbei nicht völlig ausgeschlossen werden, dass beim Herausziehen des Schweißpins während der Beendigung des Schweißvorgangs geringe Unebenheiten zu verzeichnen sind. Zudem muss damit gerechnet werden, dass die Ränder der zu verschweißenden Strukturen nicht fugenlos aneinander stoßen sondern kleine Unebenheiten aufweisen die während des Schweiß-Vorgangs für das Erreichen einer ebenen Fläche die Zufuhr von „Füll-Material” notwendig machen.Furthermore, from the prior art, the previously published, attributable to the applicant itself, DE 10 2015 005 763 U1 known, which relates to a device for homogeneous welding flat curved structures by friction stir welding. Although the device known from this publication already achieves a welding result which satisfies high quality requirements, it can not be ruled out completely that when pulling out the welding pin slight bumps are observed during the completion of the welding process. In addition, it must be expected that the edges of the structures to be welded do not abut each other seamlessly but have small bumps which make it necessary to supply "filling material" during the welding process in order to achieve a flat surface.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, um ein rückstandsfreies Verschweißen von Werkstücken, insbesondere von rohrartigen Strukturen und sonstigen Applikationen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit und die Dichtigkeit, mittels Rührreibschweißen in der Weise zu ermöglichen, dass auch bei Belastung der Schweißnaht mit elektrischer Hochspannung keine Überschläge auftreten können. Ferner soll bei unebenen Rändern der zu verschweißenden Strukturen die Zufuhr von „Füll-Material„ gewährleistet sein.The present invention is therefore an object of the invention to provide a device and a method to allow a residue-free welding of workpieces, in particular of tubular structures and other applications with high demands on the surface texture and tightness by means of friction stir welding in such a way that when the weld seam is subjected to electrical high voltage, no flashovers can occur. Furthermore, should be ensured at uneven edges of the structures to be welded, the supply of "filling material".

De Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen im Anspruch 1.The solution of this problem is achieved with the features in claim 1.

Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.The invention will be described in more detail below.

Es zeigen im Einzelnen:They show in detail:

1: eine Schnittdarstellung einer Anordnung zum Rührreibschweißen 1 : A sectional view of an arrangement for friction stir welding

2: eine Schnittdarstellung des Vorgangs des Austritts der Pinspitze 2 : A sectional view of the process of the exit of the pin tip

3: eine Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips der Speicherung von Schweißmaterial, 3 FIG. 2: an illustration of the principle according to the invention of the storage of welding material, FIG.

4: eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Werkzeugglocke 4 : A sectional view of the tool bell according to the invention

5: eine Darstellung der Steuerung der Auflagekraft des Werkzeugschuhs 5 5 : A representation of the control of the bearing force of the tool shoe 5

6: eine Darstellung der Steuerung der Auflagekraft des Pinschafts 10 6 : a representation of the control of the bearing force of the pin shaft 10

Die 1: zeigt eine Schnittdarstellung einer Anordnung zum Rührreibschweißen. Hierbei ist mit dem markierten Quadrat der Ausschnitt dargestellt der in der 2 vergrößert gezeigt wird. Das rohrförmige Werkstück 1 wird mittels des Antriebs 3 der Werkzeugglocke 2 im Detailausschnitt 4 bearbeitet. Als Betätigungselement für den Antrieb 3 kann zum Beispiel ein 6 – achsiger Roboter dienen. Zur Beobachtung für die erfolgte Schweißnaht kann ein, nicht näher bezeichneter, Temperatursensor eingesetzt sein.The 1 : shows a sectional view of an arrangement for friction stir welding. Here, with the marked square the section is shown in the 2 is shown enlarged. The tubular workpiece 1 is by means of the drive 3 the tool bell 2 in detail 4 processed. As actuator for the drive 3 For example, a 6 - axis robot can be used. For observation of the completed weld, a, unspecified, temperature sensor may be used.

Die 2: zeigt eine Schnittdarstellung des Vorgangs des Austauchens der Pinspitze, wobei auch hier wieder das Werkstück 1 von dem, in der Werkzeugglocke 2 geführten Werkzeugschuh 5 mittels eines Antriebs 3 bearbeitet wird. Der Weg der Pinspitze 6 ist hierbei in zwei Positionen dargestellt die den Beginn 8 und das Ende 9 der Wegstrecke kennzeichen den die Pinspitze 6 während der Beendigung des Schweißvorgangs zurücklegt.The 2 : shows a sectional view of the process of the replacement of the pin tip, where again the workpiece 1 from that, in the toolbox 2 guided tool shoe 5 by means of a drive 3 is processed. The path of the Pinspitze 6 is here in two positions represented the beginning 8th and the end 9 the route marks the pin tip 6 travels during the completion of the welding process.

Die 3: zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips der Speicherung von Schweißmaterial. Hier ist dargestellt, dass die so genannte Pinspitze 6 im Gegensatz zu bisherigen Schweißverfahren nicht in der Form einer Spitze ausgebildet ist, sondern eine stumpf ausgebildete kreisförmige Berührungsfläche mit dem zu verschweißenden Material aufweist. In der 3a) ist die mittels eines Pinschafts 10 antreibbare Pinspitze 6 in ihrer Grundposition im Werkzeugschuh 5 im Bereich des Werkstücks 1 dargestellt. In der 3b) ist die Pinspitze 6 während des Vorgangs des Rührreibschweißens dargestellt, wobei das zu verschweißende Material soweit plastifiziert, bzw. erweicht, ist, dass die Pinspitze 6 in das zu verschweißende eingetaucht ist. Da hierbei das plastifizierte Material infolge der Drehung des Schweißpins 6, der hohen Anpresskraft des Reibwerkzeugs, und der für diesen Zweck besonders konstruierten Ausgestaltung des Schweißschuhs 5 und des Schweißpins 6 in den Raum oberhalb des Schweißpins 6 aufsteigt, dient der Raum gewissermaßen als ein Schweißdepot 11. In der 3c) ist die Position 9 aus der 2 dargestellt. Hier ist die Pinspitze 6 wieder in den Bereich der Grundposition, wie er in der 3a) gezeigt ist, zurückgezogen und hat das Materialdepot 11 auf diese Weise geleert und die Füllung 13 aus dem Materialdepot 11 in die Öffnung der sich schließenden Schweißnaht 12 zurückbefördert.The 3 : shows a representation of the principle according to the invention of the storage of welding material. Here is shown that the so-called Pinspitze 6 in contrast to previous welding method is not formed in the shape of a tip, but has a dull-shaped circular contact surface with the material to be welded. In the 3a) is the one by means of a pin shaft 10 drivable pinpoint 6 in their basic position in the tool shoe 5 in the area of the workpiece 1 shown. In the 3b) is the pinpoint 6 shown during the process of friction stir welding, wherein the material to be welded plasticized or softened so far is that the pin tip 6 is immersed in the welded to. Since this is the plasticized material due to the rotation of the welding pin 6 , the high contact pressure of the friction tool, and the specially designed for this purpose embodiment of the welding shoe 5 and the welding pin 6 in the space above the welding pin 6 ascends, the room serves as a sort of sweat depot 11 , In the 3c) is the position 9 from the 2 shown. Here is the pinpoint 6 back to the area of the basic position, as in the 3a) shown, withdrawn and has the material depot 11 emptied in this way and the filling 13 from the material depot 11 in the opening of the closing weld 12 conveyed back.

4: zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Werkzeugglocke. Ein Befestigungsflansch 16 für die Werkzeugglocke 2 ist mittels Befestigungsschrauben 15, von denen die linke bezeichnet ist, an einem Antrieb befestigt, wobei dieser Antrieb wiederum an einer, nicht gezeigten, Vorrichtung zur steuernden Bewegung des gesamten Vorgangs des Rührreibschweißens befestigt ist. Eine solche Vorrichtung kann zum Beispiel ein mehrdimensional sich bewegender Roboterarm sein der den in der 2 gezeigten Antrieb 3 bewegt. Ist In der Längsachse der Werkzeugglocke 2 ist ein zentral gelagerter Werkzeugschaft 17 zu erkennen in dessen Längsachse wiederum ein zentral gelagerter Pinschaft 10 mit einer Pinspitze 6 geführt ist. Der Pinschaft 10 ist mittels einer Halteschraube 23 mit einer Pinschaft-Halterung 26 verschraubt, die wiederum mit einem Schiebekolben 18 verbunden ist. Der Schiebekolben 18 weist im mittleren Bereich seiner Längsachse einen, sich zu beiden Seiten seiner Längsachse erstreckenden Quersteg auf der als Angriffspunkt für Kraft-Schiebeelemente 24 und 25 dient mit denen der Pinschaft 10 sich in seiner Längsachse aufwärts und abwärts bewegen lässt. Zur Begrenzung der Kraft-Schiebeelemente 24 und 25 dient ein, in der Längsachse über ihnen angeordneter Anschlag 14. Nähere Einzelheiten hierzu sind in der 6 beschrieben. Im unteren Bereich der Werkzeugglocke 2 befindet sich der Werkzeugschuh 5 der den Pinschaft 10 umschließt. Der Werkzeugschuh 5 ist mittels eines Befestigungsrings 19 an der Werkzeugglocke 2 befestigt. In dem Befestigungsring 19 sind Kraftregel-Elemente 21 und 22 vorgesehen. Nähere Einzelheiten hierzu sind der 5 zu entnehmen. Im unteren Bereich des Werkzeugschuhs 5 sind ein Materialdepot 11 und eine Material-Austragsöffnung 20 angedeutet. Zusätzlich ist in der 4 auf der linken Seite am Verbindungsflansch 16 der Werkzeugglocke 2 ein Gehäuse 33 befestigt, wobei die diesbezügliche Halterung aus Gründen der Übersicht nicht gesondert dargestellt ist. Dieses Gehäuse 33 dient der Aufnahme einer Förderschnecke 34 die mittels einer Antriebsachse 31 in Drehung versetzt werden kann und zu dem Transport von zusätzlichem Metall-Granulat 37 in den Bereich der Pinspitze 6 vorgesehen ist. Eine Detail-Ansicht hierzu ist der 5 zu entnehmen. Für die Zuführung des Metall-Granulats 37 in den Bereich der Pinspitze 6, bzw. des Materialdepots 11, ist eine Druckleitung 36 mittels eines Befestigungsflanschs 35 an dem Gehäuse 33 der Förderschnecke 34 der 4 gezeigt. Das Behältnis für die Granulatzufuhr 32 ist in der Darstellung der 4 stilisiert gezeigt. Die konkrete Ausführung wird der Fachmann den örtlichen Gegebenheiten anpassen. Das jeweils verwendete Granulat besteht aus kugelförmigen Körpern des Metalls der zu verschweißenden Strukturen. Die Korngröße dieses Granulats kann einen Bereich überstreichen der von einigen Makrometern bis zu mehreren Nanometern reicht. 4 : shows a sectional view of the tool bell according to the invention. A mounting flange 16 for the tool bell 2 is by means of fastening screws 15 of which the left is designated, fixed to a drive, which drive in turn is attached to a, not shown, device for controlling movement of the entire process of friction stir welding. Such a device may be, for example, a multi-dimensionally moving robotic arm that in the 2 shown drive 3 emotional. Is in the longitudinal axis of the tool bell 2 is a centrally stored tool shank 17 to recognize in its longitudinal axis, in turn, a centrally-mounted Pinschaft 10 with a pinpoint 6 is guided. The Pinschaft 10 is by means of a retaining screw 23 with a pin shaft holder 26 bolted, in turn, with a sliding piston 18 connected is. The sliding piston 18 has in the central region of its longitudinal axis a, extending on both sides of its longitudinal axis Crossbar on the as a point of application for force-sliding elements 24 and 25 serves with those of the Pinschaft 10 can move up and down in its longitudinal axis. To limit the power sliding elements 24 and 25 serves a, arranged in the longitudinal axis over them stop 14 , Further details are in the 6 described. In the lower area of the tool bell 2 is the tool shoe 5 the Pinschaft 10 encloses. The tool shoe 5 is by means of a mounting ring 19 at the tool bell 2 attached. In the mounting ring 19 are force rule elements 21 and 22 intended. Further details are the 5 refer to. In the lower part of the tool shoe 5 are a material depot 11 and a material discharge opening 20 indicated. In addition, in the 4 on the left side on the connecting flange 16 the tool bell 2 a housing 33 fastened, the relevant holder is not shown separately for reasons of clarity. This case 33 serves to accommodate a screw conveyor 34 by means of a drive axle 31 can be set in rotation and to transport additional metal granules 37 in the area of the pinpoint 6 is provided. A detailed view is the 5 refer to. For feeding the metal granules 37 in the area of the pinpoint 6 , or the material depot 11 , is a pressure line 36 by means of a mounting flange 35 on the housing 33 the screw conveyor 34 of the 4 shown. The container for the granule supply 32 is in the representation of 4 shown stylized. The concrete design will be adapted by the specialist to the local conditions. The granules used in each case consist of spherical bodies of the metal of the structures to be welded. The grain size of this granulate can cover a range ranging from a few macrometers to several nanometers.

5: zeigt eine Darstellung der Steuerung der Auflagekraft des Werkzeugschuhs 5. Auf der rechten Seite der in der 5 gezeigten Werkzeugglocke 2 ist eine von mehreren Halteschrauben 27 bezeichnet mit denen der Befestigungsring 19 an der Werkzeugglocke 2 befestigt ist um den Werkzeugschuh 5 zu fixieren. In dem zentral angeordneten Werkzeug-Schaft 17 ist der Pinschaft 10 mit einer abgeflachten, Pinspitze 6 zu erkennen. In dem Werkzeugschuh 5 ist auf der rechten Seite eine, der auf beiden Seiten vorhandenen, Material-Austragsöffnungen 20 bezeichnet. Hier kann überschüssiges, beim Schweißvorgang entstandenes, plastifiziertes Material austreten. Zwischen der Pinspitze 6 und dem Werkzeugschuh 5 ist ein Pinspitzenspalt 29, zwischen dem Pinschaft 10 und dem Werkzeugschuh 5 ist ein Pinschaftspalt 28 und in dem Raum über der Pinspitze 6 ist das Materialdepot 11 bezeichnet. Wichtig ist hierbei, dass der untere Pinspitzenspalt 29 eine geringere „Dichtfunktion” aufweist als der ober Pinschaftspalt 28. Alles Material das dennoch den Spalt 28 passiert, wird über die Material-Austragsöffnungen 20 ausgetrieben Die Wirkung des Pinspitzenspalts 29, des Pinschaftspalts 28 und des Materialdepots 11 ist in der Beschreibung der 3 gezeigt. Innerhalb des Befestigungsrings 19 sind auf beiden Seiten jeweils ein unteres Kraft-Regelelement 21 und ein oberes Kraft-Regelelement 22 eingezeichnet. Bei diesen Kraft-Regelelementen 21 und 22 handelt es sich zum Beispiel um Piezoelemente mit deren Hilfe der Anpressdruck des Werkzeugschuhs 5 an das Schweißgut gesteuert werden kann. Diese Kraft Regelelemente 21 und 22 sind kreisförmig um den Pinschaft 10 angeordnet. Dieser Vorgang der Steuerung des Anpressdrucks des Werkzeugschuhs 5 kann unabhängig von dem jeweiligen Anpressdruck der Pinspitze 6, bzw. des Pinschafts 10 erfolgen. In der Darstellung der 6 ist, wie in der 4, auf der linken Seite die Druckleitung 36 für die Zuführung von Meall-Granulate in den Bereich der Pinspitze 6 zu erkennen. Zusätzlich ist auf der rechten Seite des Werkzeugschuhs 5 eine weitere, nicht näher bezeichnete, Druckleitung für die Zufuhr von Metall-Granulat in den Bereich der Pinspitze 6 skizziert. Die für die Zufuhr von Metall-Granulat auf der rechten Seite des Werkzeugschuhs 5 notwendigen Einrichtungen entsprechen den aus der 4 bekannten Einrichtungen. Auf diese Weise der gezeigten Zuführung von Metall-Granulat in den Bereich der Pinspitze 6, bzw. des Materialdepots 11, ist es möglich das Metall-Granulat von zwei gegenüberliegenden Seiten dem Prozess des Rührreibschweißens zuzuführen. In einer Sonderbauform kann vorgesehen sein, die Zufuhr von Metall-Granulat in den Bereich der Pinspitze 6, bzw. des Materialdepots (11), noch dahingehend zu verfeinern, dass weitere Druckleitungen 36 mit ihren entsprechenden, für diese Zufuhr notwendigen Zusatz-Einrichtungen, wie in der 4 beschrieben, am Umfang der Pinspitze 6 verteilt angeordnet sind. 5 : shows a representation of the control of the bearing force of the tool shoe 5 , On the right side in the 5 shown tool bell 2 is one of several retaining screws 27 referred to with those of the mounting ring 19 at the tool bell 2 is attached to the tool shoe 5 to fix. In the centrally arranged tool shaft 17 is the Pinschaft 10 with a flattened, pinpoint 6 to recognize. In the tool shoe 5 is on the right side one, the on both sides existing, material discharge openings 20 designated. Here, surplus, during the welding process incurred, plasticized material emerge. Between the pinpoint 6 and the tool shoe 5 is a Pinspitzenspalt 29 , between the Pinschaft 10 and the tool shoe 5 is a Pinschaftspalt 28 and in the room above the pinpoint 6 is the material depot 11 designated. It is important that the lower Pinspitzenspalt 29 has a lower "sealing function" than the upper pin gap 28 , All material that still the gap 28 happens, is about the material discharge openings 20 expelled The effect of Pinspitzenspalts 29 , the pinhole gap 28 and the material depot 11 is in the description of 3 shown. Inside the mounting ring 19 are on both sides in each case a lower force control element 21 and an upper force control element 22 located. With these force control elements 21 and 22 For example, these are piezo elements with the help of which the pressure of the tool shoe is applied 5 can be controlled to the weld metal. This force control elements 21 and 22 are circular around the pin shaft 10 arranged. This process of controlling the contact pressure of the tool shoe 5 can be independent of the respective contact pressure of the pin tip 6 , or the Pinschaft 10 respectively. In the presentation of the 6 is like in the 4 , on the left side the pressure line 36 for feeding Meall granules into the area of the pin tip 6 to recognize. In addition, on the right side of the tool shoe 5 another, unspecified, pressure line for the supply of metal granules in the area of the pin tip 6 outlined. The for the supply of metal granules on the right side of the tool shoe 5 necessary facilities correspond to those from 4 known facilities. In this way, the shown supply of metal granules in the area of the pin tip 6 , or the material depot 11 It is possible to feed the metal granules from two opposite sides to the process of friction stir welding. In a special design can be provided, the supply of metal granules in the area of the pin tip 6 , or the material depot ( 11 ), to further refine that other pressure lines 36 with their corresponding, necessary for this supply additional facilities, as in the 4 described, on the circumference of the pinpoint 6 are arranged distributed.

6: zeigt weiterhin eine Darstellung der Steuerung der Auflagekraft des Pinschafts 10. Hier sind die Werkzeugglocke 2 am Rand des Befestigungsflanschs 16 zu erkennen in dem Werkzeugschaft 17 sind der Schiebekolben 18 mit seinem Quersteg und die Pinschaft-Halterung 26 mit der Halteschraube 23 zur Halterung des Pinschafts 10 vergrößert dargestellt. Im unteren Bereich sind die oberen Ränder des Befestigungsrings 19 zu sehen. Die auf beiden Seiten des Schiebekolbens 18 dargestellten Kraft-Schiebeelemente 24 und 25 ermöglichen die stufenlose Einstellung des Anpressdrucks der Pinspitze 6 an die zu verschweißenden Werkstücke während der Drehung des Werkzeug-Schafts 17 beim Rührreibschweißen. Bei der konstruktiven Ausgestaltung der Kraft-Schiebeelement 24 und 25 können zum Beispiel Piezoelement zum Einsatz kommen Diese Kraft-Schiebeelemente 14 und 25 sind kreisförmig in dem Befestigungsring 19 angeordnet. Oberhalb der Kraft-Schiebeelemente 25 ist ein Kraft-Messsenor 30 installiert, der die auf den Pinschaft 10 und damit auf die Pinspitze 6 einwirkende Kraft misst und zur Grundlage der gesamten Steuerung des Schweißprozesses macht. Im einfachsten Fall wird eine Kraftregelung der Schulter ausgeübt, wohingegen der Pin in einer Positionsregelng ist, wodurch die Einschweißtiefe konstant gehalten wird. 6 : also shows a representation of the control of the contact force of the pin shaft 10 , Here are the toolbox 2 at the edge of the mounting flange 16 to recognize in the tool shank 17 are the sliding piston 18 with its cross bar and the pin shaft holder 26 with the retaining screw 23 for holding the pin shaft 10 shown enlarged. In the lower area are the upper edges of the mounting ring 19 to see. The on both sides of the sliding piston 18 shown force-slide elements 24 and 25 allow stepless adjustment of the contact pressure of the pin tip 6 to the workpieces to be welded during rotation of the tool shaft 17 in friction stir welding. In the structural design of the force-slide element 24 and 25 For example, piezoelectric elements can be used. These force-pushing elements 14 and 25 are circular in the mounting ring 19 arranged. Above the power sliding elements 25 is a force measuring Senor 30 installed on the pin shaft 10 and thus on the pinpoint 6 measures acting force and makes it the basis of the overall control of the welding process. In the simplest case, a force control of the shoulder is exercised, whereas the pin is in a position rules, whereby the weld depth is kept constant.

Die komplexe Steuerung der beschriebenen Bewegungsabläufe erfordert ein speziellen Steuerungs-Algorhytmus für den Ablauf.The complex control of the described movements requires a special control algorithm for the procedure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Werkstück (hier Rohrquerschnitt)Workpiece (here tube cross-section)
22: Werkzeugglocketool bell
33: Antriebdrive
44: Detailmarkierung des Bereichs der 2 Detail marking of the area of the 2
55: WerkzeugschuhShoe tool
66: PinspitzePinspitze
77: Austrittsstrecke der Pinspitze 6 Exit section of the pin tip 6
88th: Beginn der Austrittsstrecke der Pinspitze 6 Beginning of the exit section of the Pinspitze 6
99: Ende der Austrittsstrecke der Pinspitze 6 End of the exit section of the pin tip 6
1010: PinschaftPinschaft
1111: MaterialdepotMaterialdepot
1212: SchweißnahtWeld
1313: Füllung aus dem Materialdepot 11 Filling from the material depot 11
1414: Anschlag für Kraft-Regelelemente 24, 25 (Piezo-Elemente)Stop for force control elements 24 . 25 (Piezo elements)
1515: Befestigungsschraube für den Flansch 16 Fixing screw for the flange 16
1616: Befestigungsflansch der Werkzeugglocke 2 Mounting flange of the tool bell 2
1717: Werkzeug-SchaftTool shank
1818: Schiebekolbensliding piston
1919: Befestigungsring für den Werkzeugschuh 5 Mounting ring for the tool shoe 5
2020: Material-AustragsöffnungMaterial discharge
2121: unteres Kraft-Regelelement für den Werkzeugschuh 5 lower force control element for the tool shoe 5
2222: oberes Kraft-Regelelement für den Werkzeugschuh 5 Upper force control element for the tool shoe 5
2323: Halteschraube für den Pinschaft 10 Retaining screw for the Pinschaft 10
2424: unteres Kraft-Schiebeelement für den Pinschaft 10 Lower force push element for the pin shaft 10
2525: oberes Kraft-Schiebeelement für den Pinschaft 10 Upper force push element for the pin shaft 10
2626: Pinschaft-HalterungPinschaft holder
2727: Halteschraube für den Befestigungsring 19 Retaining screw for the fastening ring 19
2828: PinschaftspaltPinschaftspalt
2929: PinspitzenspaltPinspitzenspalt
3030: Kraft-MesssensorForce-measuring sensor
3131: Antriebsachse der Förderschnecke 34 Drive axle of the screw conveyor 34
3232: Granulatzufuhrgranulate feed
3333: Gehäuse der Förderschnecke 34 Housing of the screw conveyor 34
3434: FörderschneckeAuger
3535: Befestigungsflansch der Druckleitung 36 Mounting flange of the pressure line 36
3636: Druckleitung für eine GranulatzufuhrPressure line for a granulate feed
3737: Metall-GranulatMetal granulate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2027962 A1 [0002]
EP 2561948 A1 [0004]
DE 102015005763 U1 [0006]

Claims

Apparatus for the residue-free friction stir welding of workpieces, in particular of tubular structures, having the following features: a) a drive guided by a guiding machine ( 3 ) and one, by means of a mounting flange ( 16 ) on the drive ( 3 ) screwed tool bell ( 2 ) has a tool shoe ( 5 ), which by means of a fastening ring ( 19 ) on the tool bell ( 2 ), b) a in the longitudinal axis of the tool bell ( 2 ) centrally mounted tool shank ( 17 ), which by the drive ( 3 ), in turn, has in its longitudinal axis a centrally mounted sliding piston ( 18 ), arranged in the upper region, in a circular cross-section running, thickening, wherein the sliding piston ( 18 ) by means of a retaining screw ( 23 ) with a, in the longitudinal axis of the sliding piston in alignment mounted Pinschaft ( 10 ) with a pin tip ( 6 ) is frictionally connected, c) in the upper part of the Pinschaft ( 10 ) arranged circular thickening serves on the one hand as an abutment, or its position, for a lower force-slide element ( 24 ) between the circular thickening and a recess of the tool shaft ( 17 ), and on the other hand as an abutment for an upper power-sliding element ( 25 ), between the circular thickening and a stop ( 14 ) is mounted, d) in the fastening ring ( 19 ) are between the lower inner edge of the mounting ring ( 19 ) and, to the mounting ring ( 19 ) adjacent, part of the tool bell ( 2 ) circularly about the central axis of the tool shaft ( 17 ) mounted force control elements arranged, wherein a lower force control element ( 21 ) in each case between the lower inner edge of the fastening ring ( 19 ) and a thickening of the tool shoe ( 5 ) and an upper force-regulating element ( 22 ) between the same thickening of the tool shoe ( 5 ) and the lower edge of the tool bell ( 2 ), e) on the underside of the stop ( 14 ) is a force measuring sensor ( 30 ) intended.

Apparatus according to claim 1, characterized in that between the pin tip ( 6 ) and the surrounding area of the tool shoe ( 5 ) a Pinspitzenspalt ( 29 ) and between the Pinschaft ( 10 ) and the area surrounding the tool shoe ( 5 ) a pin gap ( 28 ) is provided, wherein in the area above the upper edge of the pin tip ( 6 ) a room for a material depot ( 11 ) is provided.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that to a defined supply of metal granules in the region of the material depot ( 11 ) at least one pressure line ( 36 ) is provided

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a 6-axis robot is used to guide the drive 3.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that for monitoring the welding process, a temperature sensor is used.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the tool shoe ( 5 ) at least two opposing additional material discharge openings ( 20 ) are provided.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the force measuring sensor ( 30 ) in both directions of the longitudinal axis of the Pinschaft ( 10 ) acts.